1 I. DIODA LKTROLUMINSCNCYJNA Cel ćwiczenia : Pomiar charakterystyk elektrycznych diod elektroluminescencyjnych. Zagadnienia: misja spontaniczna, złącze p-n, zasada działania diody elektroluminescencyjnej LD 1. Wprowadzenie Dioda elektroluminescencyjna nazywana także diodą świecącą - LD (ang. Light mitting Diode) jest jednym z półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych przetwarzającym energię elektryczną na energię promieniowania elektromagnetycznego. LD-y wytwarzane są zwykle jako związki pierwiastków grupy III i V układu okresowego. W praktyce wykorzystuje się zarówno związki dwu jak i wielo składnikowe, przy czym skład dobiera się tak, aby uzyskana w procesie technologicznym struktura półprzewodnikowa umożliwiała emisję światła w zadanym zakresie spektralnym. Najmniej skomplikowane diody LD realizowane są w postaci zwykłych półprzewodnikowych złączy p-n, które spolaryzowane odpowiednio dużym napięciem w kierunku przewodzenia emitują promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie światła widzialnego i podczerwieni. Długość fali promieniowania emitowanego przez diody LD, a tym samym jego barwa, zależy od materiału półprzewodnikowego, z którego została wytworzona (patrz tabela 1). Zasada działania diody LD jest oparta na zjawisku elektroluminescencji, które polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego. lektroluminescencja zachodzi w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w obszarze złącza p-n. Przejściom elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy towarzyszy wydzielenie energii w postaci ciepła (rekombinacja niepromienista) lub światła (rekombinacja promienista). Rekombinacja niepromienista zachodzi w półprzewodnikach ze skośną przerwą energetyczną np. w Si czy Ge. Rekombinacja promienista jest charakterystyczna dla półprzewodników z prostą przerwą energetyczną. Ten typ rekombinacji, podczas której energia wydzielana jest w postaci kwantów promieniowania fotonów, zachodzi w materiałach takich jak np. GaAs, InAs, InP, InSb.
2 Tabela.1. Porównanie barwy światła emitowanego przez diody LD w zależności od materiału użytego do ich produkcji. Związek półprzewodnikowy AlGaAs AlGaP AlGaInP GaAsP GaP GaN InGaN SiC Al 2 O 3 ZnSe Barwa emitowanego promieniowania czerwona, podczerwień zielona pomarańczowo-czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona czerwona, czerwono pomarańczowa, żółta czerwona, żółta, zielona zielona, niebieska zielona, niebieska, bliski ultrafiolet niebieska niebieska niebieska 1.1. Zasada działania półprzewodnikowego złącza p-n W technologii przyrządów półprzewodnikowych najczęściej realizuje się złącze p-n poprzez odpowiednie wprowadzenie do kryształu półprzewodnikowego domieszek akceptorowych (dziurowych) oraz donorowych (elektronowych). W efekcie w obrębie tego samego półprzewodnika uzyskuje się obszary o różnym typie przewodnictwa. W złączu p-n koncentracja dziur w obszarze typu p jest zdecydowanie większa niż ich ilość w obszarze typu n i analogicznie w przypadku elektronów jest ich znacznie więcej w obszarze n w stosunku do ich koncentracji w obszarze p. Na skutek tego gradientu koncentracji nośników Rys.1. Schemat złącza p n. powstaje tzw. prąd dyfuzyjny, który jest skutkiem przechodzenia elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru n. W wyniku dyfuzji nośników nadmiarowych (elektronów) z obszaru n pozostają w nim dodatnio naładowane jony atomów domieszki donorowej, zaś w skutek dyfuzji dziur z obszaru o przewodnictwie dziurowym pozostają w nim ujemnie naładowane atomy domieszki akceptorowej. Powstała w ten sposób
3 w obszarze przejściowym dipolowa warstwa ładunku przestrzennego wytwarza pole elektryczne o natężeniu 0 skierowane od potencjału dodatniego (obszar typu n) do potencjału ujemnego (obszar typu p). Pole to przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników większościowych. Jednocześnie pole to stanowi źródło prądu nośników mniejszościowych (elektronów z obszaru p do n i dziur z obszaru n do p) nazywanego prądem unoszenia. Opisaną sytuację schematycznie ilustruje rys. 1. Różnica potencjałów w warstwie zaporowej nosi nazwę bariery potencjału V 0. Wysokość bariery potencjału w przypadku diod LD zwykle spelnia warunek: ev (1.1) 0 G gdzie G [ev] jest wartością energii wzbronionej półprzewodnika, z którego wykonano badaną diodę. Dla złączy p-n silnie domieszkowanych, jak to ma miejsce w przypadku diod laserowych, ev0 G. Wówczas poziom Fermiego po obydwu stronach złącza znajduje się w obrębie odpowiednich pasm. Na rys. 2 pokazano szereg charakterystyk I-V dla różnych diod LD. Jak wynika z rys.2, potencjał wbudowany jest tym mniejszy im większa długość fali odpowiadająca maksimum zdolności emisyjnej diody LD. Rys. 2. Oznaczenie diody w schematach elektrycznych, sposób polaryzacji i charakterystyki I-V dla wybranych diod LD. Na rys. 3a przedstawiono model pasmowy złącza p-n przy zerowej polaryzacji. W przypadku, gdy w złączu utrzymuje się stan równowagi termodynamicznej prądy dyfuzyjny i
4 unoszenia równoważą się i przez złącze nie przepływa prąd. Ponadto w stanie równowagi termodynamicznej poziom Fermiego musi leżeć tak samo po obu stronach złącza co jest równoznaczne z zakrzywieniem pasma przewodnictwa i walencyjnego w obszarze złącza (patrz rys. 3a). Przyłożenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia polaryzującego V zaburza stan równowagi w układzie. Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia tj. przyłożenie potencjału dodatniego do obszaru p i ujemnego do obszaru n, skutkuje obniżeniem wysokości bariery, a zatem prowadzi do wzrostu wartości prądu nośników większościowych (rys. 3b). Prąd unoszenia nie ulega zmianie. Dla napięcia polaryzującego V równego wysokości bariery V 0 następuje wzmożone wstrzykiwanie nośników mniejszościowych (dziur do obszaru n i elektronów do obszaru p), które następnie rekombinują z nośnikami większościowymi. Jeśli następuje rekombinacja promienista to emitowane są fotony o energii równej energii przerwy wzbronionej. Koncentracja nośników mniejszościowych szybko maleje w miarę oddalania się od złącza p-n w głąb półprzewodnika. Dlatego do rekombinacji promienistej dochodzi jedynie w obszarze zubożonym złącza p-n. Rys.3. Złącze p-n a) bez polaryzacji b) spolaryzowane w kierunku przewodzenia. C - krawędź pasma przewodnictwa, V - krawędź pasma walencyjnego, F - poziom Fermiego w stanie równowagi termodynamicznej, V 0 - bariera potencjału tzw. potencjał wbudowany, fotonu G - przerwa wzbroniona, h - energia Polaryzacja złącza p-n w kierunku zaporowym prowadzi do zwiększenia wartości bariery. Wówczas prąd nośników większościowych jest bliski zera. Prąd unoszenia pozostaje
5 ten sam i w przypadku dużych napięć w kierunku zaporowym stanowi on jedyny prąd płynący przez złącze. 1.2. Charakterystyka prądowo napięciowa złącza p-n Całkowity prąd przepływający przez idealne złącze p-n jest sumą prądu elektronowego i dziurowego. Charakterystykę prądowo napięciową idealnego złącza p-n opisuje równanie qv I I S 0 exp 1 (1.2) kt qv IS 0 C1N p C2Nn exp kt gdzie 0 oznacza natężenie tzw. prądu nasycenia, V jest napięciem ze znakiem + dla polaryzacji w kierunku przewodzenia, a ze znakiem - dla polaryzacji w kierunku zaporowym, k stałą Boltzmanna, T temperaturą w której przeprowadzany jest pomiar, C1, C 2 są współczynnikami proporcjonalności, zaś koncentracją dziur w obszarze typu p, N p - Nn - koncentracją elektronów w obszarze typu n. W rzeczywistym złączu p-n obok prądu dyfuzyjnego i prądu unoszenia mogą płynąć jeszcze inne prądy takie jak prąd generacji rekombinacji, prąd tunelowy i powierzchniowe prądy upływności. Ich przepływ powoduje, że charakterystyka I-V odbiega od idealnej i jest opisana zależnością: qv I I S 0 exp 1 (1.3) nkt gdzie n jest współczynnikiem idealności złącza zależnym od konstrukcji diody. Na rys. 4. przedstawiono typowy przebieg charakterystyki I-V diody elektroluminescencyjnej, który odzwierciedla najważniejszą cechę półprzewodnikowego złącza p-n jego prostowniczy charakter. Prostująca charakterystyka prądowo napięciowa oznacza, że prąd płynie przez złącze tylko w jednym kierunku. W efekcie przyłożenia do złącza napięcia polaryzującego je w kierunku przewodzenia obserwuje się wzrost wartości natężenia prądu wraz ze wzrostem napięcia. Wartość natężenia tego prądu jest ograniczona wielkością powyżej której, dioda ulega zniszczeniu. Dla diod znajdujących się na pracowni, średnia wartość prądu w kierunku przewodzenia nie powinna przekraczać 20mA. Odpowiednio dobrany rezystor, połączony szeregowo z diodą ogranicza wielkość prądu,
6 przepływającego przez diodę (patrz rys.5). W przypadku, gdy do złącza przyłożone zostanie napięcie polaryzujące w kierunku zaporowym, wówczas przepływa przez nie prąd o niewielkim natężeniu. Dopiero wzrost wartości napięcia powyżej tzw. napięcia przebicia V Z powoduje gwałtowny wzrost natężenia prądu (patrz rys. 4). Napięcie przebicia jest zwykle rzędu kilku dziesiątek volt. Rys.4. Przykładowa charakterystyka prądowo- napięciowa diody półprzewodnikowej. Rys.5. Przykładowy schemat układu elektrycznego, w którym pracuje dioda LD. Pomiar charakterystyki prądowo napięciowej złącza p-n umożliwia wyznaczenie bariery potencjału V 0 w tym złączu. Można to zrobić ekstrapolując prostoliniową część charakterystyki I-V dla dużych napięć w kierunku przewodzenia do osi napięcia tak, jak to pokazano na rys.4. Pomiar ten umożliwia również wyznaczenie dwóch ważnych parametrów: współczynnika idealności diody n oraz oporności szeregowej R S. Dla napięć takich, że qv / kt 3 równanie (1.3) upraszcza się do postaci: qv I I S0 exp. (1.4) nkt Zatem po jego obustronnym logarytmowaniu otrzymujemy:
7 qv ln I ln I S0. (1.5) nkt Wykres funkcji ln I jest więc linią prostą o współczynniku kierunkowym q/nkt, która przecina oś rzędnych w punkcie o współrzędnej ln I S 0. Znając nachylenie prostej można więc wyznaczyć współczynnik idealności złącza n, natomiast znajomość punktu przecięcia z osią rzędnych pozwala obliczyć wartość prądu nasycenia. 1.3 Wyznaczenie oporności szeregowej złącza półprzewodnikowego i współczynnika idealności dla rzeczywistego złącza p-n. Obwód zastępczy dla rzeczywistego złącza p-n z opornością szeregową przedstawia rys. 6. V D Rys.6 Obwód zastępczy dla rzeczywistego złącza p-n. Część napięcia polaryzującego diodę odkłada się na oporności szeregowej złącza: V V D IR S (1.6) Wówczas prąd płynący przez złącze : q( V IRS ) I IS 0[exp 1] (1.7) nkt gdzie n - współczynnik idealności złącza, I so prąd nasycenia. Współczynnik n obliczamy korzystając z wykresu lni=f(v) (dla V>3kT/q): q n (1.8) d ln I kt dv lub jeśli rysujemy wykres logi=f(v): q n (1.9) d log I 2.3 kt dv
8 Oporność szeregową obliczamy korzystając z wykresu lni=f(v) lub logi=f(v) dla dużych napięć w kierunku przewodzenia. Z odchylenia tego wykresu od linii prostej dla dużego prądu I 0 otrzymujemy (patrz rys. 7): V R S (2) I 0 Rys. 7. Sposób wyznaczenia oporności szeregowej z charakterystyki I-V. 1.4. Charakterystyka spektralna diody LD Długość fali promieniowania emitowanego przez diodę półprzewodnikową w skutek rekombinacji par elektron dziura wyraża się wzorem: hc (2.1) G gdzie G jest szerokością przerwy wzbronionej półprzewodnika. Zatem aby oszacować należy wyznaczyć długość fali odpowiadającej maksymalnej zdolności emisyjnej diody. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, iż w praktyce dioda LD emituje światło w pewnym zakresie spektralnym, a nie jedynie światło o długości fali odpowiadającej maksimum zdolności emisyjnej. Wartość tego przedziału charakteryzuje wielkość zwana szerokością połówkową spektrum diody. Szerokość połówkowa to parametr, który charakteryzuje linię widmową. Jest to przedział częstości, dla których natężenie linii widmowej jest większe od połowy maksymalnego natężenia. W przypadku diod LD szerokość połówkowa zawiera się w przedziale 40-190 nm (w przypadku laserów jest to przedział od 0.00001 do 10 nm). Na rys. 8 przedstawiono profil linii widmowej wraz z zaznaczoną szerokością połówkową. G
9 Rys.7. Przykładowy profil linii widmowej.